汽车电动助力转向系统的设计

编号: 毕业设计题 目 汽车电动助力转向机构的优化设计 指导教师学生姓名学 号 专 业教学单位二 O 一五年五月九日目 录1 绪论 .21.1 电动助力转向系统的类型 .22 汽车电动助力转向机构各组件的特征及设计 .42.1 电动机 .42.2 转向轴的设计计算 .83 电动助力转向系统减速机构的优化 .113.1 设计变量 .113.2 目标函数 .113.3 约束因素 .123.4 优化程序的运行流程图和结果 .134 EPS 的关键部件和控制策略 .144.1 EPS 的关键部件选型 .144.1.1 电动机 .144.1.2 电磁离合器 .154.1.3 减速机构 .154.1.4 扭矩传感器 .154.1.5 电流传感器 .164.2 电动助力转向系统的电流控制 .174.3 助力控制 .174.4 阻尼控制 .184.5 回正控制 .18结论 .19参考文献 .19致谢 .20 汽车电动助力转向机构的优化设计摘要：电动助力转向机构,是当前汽车行业飞速发展所产生的一种新型动力转向系统,拥有更加先进、更具有实用性的优势,它不但可以节约能源,提高安全性,更与环境保护息息相关,是现代汽车快速发展的新型高新技术,更是汽车转向系统发展的必经之路。它可改善小型汽车转向灵敏性跟轻便型的矛盾, 使司机在汽车低速行驶时拥有大的助力, 高速行驶时获得较强的路感。是由 ECU 依据转向盘转矩信号控制电动机离合器, 使电动机在不需要助力时停止工作, 减少了能源的消耗，该系统也能满足在不同车速情况下获得不同助力特性的要求。关键词： 汽车； 电动助力转向系统； 转向器1 绪论电动助力转向系统由多种结构组合而成，其主要包括机械式转向器、减速机构、离合器、电动机、电子控制单元等组成。简单的叙述一下电动助力转向的工作原理，伴随着转向轴的运动，转矩传感器也相应的把由于扭杆作用而使输入轴和输出轴对应产生的对角位移化作电信号输送给电子控制单元，然后电子控制单元再将由车速、电动机旋转方向（由转矩传感器的信号所决定）、助力电流组成的指令输送给电动机，加之辅助动力通过离合器、减速机构等机械机构在转向系统中发挥的作用，轻松实现实时改善助力系统的效果并且保证汽车慢速行驶时轻便、灵敏，高速时稳定、安全。汽车在不同的车速下会拥有不同的转向助力，更会减少汽车慢速行驶时的转向操纵能力并且在告诉行驶中也会大大增加汽车的操纵性跟恒定性，为四级驾驶提供极大的帮助，这就是电动转向系统 9。1.1 电动助力转向系统的类型电动助力转向系统一般都是电动机转矩输出经过减速机构作用的，所以现在的 EPS 系统基本都有减速机构。在当前社会中汽车使用的的转向器形式结构有如下三种:齿轮齿条式、蜗轮蜗杆式、循环球螺母式三种。设计时使用的转向器，综合所选装置的特点以及电动助力转向系统的技术要求（结构的精简性、实用性等）和成本等条件,初步选定齿轮齿条式转向器。齿轮齿条式转向器力矩的传递路线如下:电动机一减速机构一传动轴一齿轮一齿条一转向轮。又由助力电机的位置要求可知 EPS 可分为三种形式,如图 1 所示。图 1-1-1 转向轴图 1-1-2 齿轮图 1-1-3 齿条(l) 转向柱，柱型 EPS 系统助力电机与减速器一起连接到转向柱上，如图1-1-1 所。在合适位置进行安装，转向柱，起到对蜗轮蜗杆的改变作用。有一个良好的工作环境也会使电机的输出转矩也比较小，是当前我们常用且比较理想的一种助力形式。又由于这一种助力形式是相对独立的没有跟其他部件所关联所以也有维修方便的优势。这种助力形式的装置具有很强的灵敏性。但是这种装置对电机作用的转矩容易转移在方向盘上，这就意味着电机需要在抑制振动方向的位置进行安装，并且我们还不能胡苦厄盘式电机噪声对驾驶员的影响。(2) 齿轮助力式是一种常见的电流，形成电机，减速器直接与转向齿轮。它拥有区间全部柱形的优势并且在不改变转向柱结构的前提下，可以直接直接在机械转向器中进行设计。(3)在现在我们通常使用的齿条助力式电机，是通过传动机构和机架相接，再由传动机构将旋转电枢的翻译从而达到一定功率。这种齿条助力式电机有很多优势跟实用性：比如结构紧凑、没有位置要求限制，同时还可以给与大的扭矩，该机的转矩脉动是不容易转移到方向盘的。但是这种电机也有其劣势存在比如：结构较为繁琐、成本过高，工作环境较差，还要有良好密封环境，这种齿条式助力电机对输出力矩的要求也比较苛刻，甚至有其中某个部件发生故障或损坏，该电机就要务必进行拆卸活拆卸其中一部分部件进行维修，所以给我们的维护工作所带来了极大的不便利性。前轴承受载荷情况，很好的反映了转向助力的高低，也就决定了我们要使用什么样的动力转向器。又比方说，国外公司研发的一种名为 serveelectriceps的产品，最大载荷只有 6 的前桥咖啡车，可以将 EPS 直接选择安装在前轴的转向柱上；在中型轿车并且最大载荷小于 GKN 型的汽车中，可以将 EPS 安装在转向器之上；高级汽车前轴最大负荷超过 GKN 或轻型商用车，将安装在 EPS由电机通过传动机构驱动的翻译在转向架上进行的部件上。2 汽车电动助力转向机构各组件的特征及设计2.1 电动机其功能是根据 ECU 的指令然后在输出合适的助力转矩，是 EPS 的电源。电机需要的最大功率比和转矩惯量比，起动转矩大，惯性小，调速范围宽且平滑。电机的质量应尽可能小，尤其是快速响应，电机同时更要具备高可靠性、高工作稳定度、具有较大的短时过载能力、较小的传动间隙，高刚性传动系统，高扭矩输出和大减速比。在现在我们通常使用的永磁直流电机有一下两种：有刷和无刷型。通常我们使用的电动助力转向是无刷电机功率电机，但当前根据电子技术的快速发展，我们通常使用的是永磁无刷直流电动机。 4其主要要求整理如下:1) 启动迅速，转矩所具有的惯量比较大，电动机得到的信号以及完成指令需要的时间要尽可能的快和短。因为响应信号快的话，电机服务于系统的灵敏度也就越高，所以响应时间短，工作性能良好，这些可以用一个服务电机机械时间常数来表示。这个常数用来说明快速响应的伺服电机的性能。在行车负荷到一定条件就下，电动机就是应该有转动惯量小和启动转矩较大的特性。2) 连续性和线性控制特性，当系统运用的控制信号发生变化时，会直接影响到电动机的转速变动，所以有时候也需要速度与控制信号成比例关系才行（正比或者类似正比）。除此之外还应该有体积 V 比较小，质量也要轻，轴向尺寸也应比较短，还要拥有一个比较宽泛的调速区间。有充分的慢速转矩脉动小，运行平稳。速度范围可以在 10000 到 100。3)要用可以承受的起一定的荷载压力特性的部件,控制器与电动机在限定载荷的工作环境中工作时,可以承受适当增加的周期性过载,但是过载的数量机器工作持续时间以及周期过载的间隔期必须要在产品标准中明确说明，避免发生故障而不能个工作。4) 温度，湿度和盐雾：环境温度在零下四十五度和零上一百二十五度这个区间内的电机控制器是可以持续工作的。当湿度10 时，电机和控制器的表面温度会低于落点温度然后会导致其在电机与控制器的表面凝结但是这并不影响电动机与控制器的工作，电机与控制器仍会继续正常运行。在现在的汽车电器设备产品的发型，电机与控制性器还要有一定的抗盐雾特性，还要满足相关电器产品的相关标准。5) 防水，防尘，防振。必须要承受高压水以及雨水的冲刷也要满足施工的条件。我们安装的电机和控制器还要根据其不同的安装位置要求必须满足要经受来自各个方向的定频振动。 8EPS 受电动机的影响较大，其也是 EPS 系统中的主要一环，所以 EPS 有较高的要求，相对于电动机而言它应该具备大转矩、小的转矩脉动、转动惯量小、体积小和质量小的特点。因此，对电动助力转向系统的设计，我们需要对电机的结构做一些特殊处理，比方说在转子螺旋槽面或斜槽开口，设计不同厚度的定磁铁。电动机的选择和助力机构减速比与前轴上的负载、电池电压相关。在下面的分析中，我们可以发现，其直接影响着汽车电动助力转向系统转动惯量的的响应。另外，我们在电动机的选择上还要注意噪声与振动对驾驶员的影响。直流电机工作机理的简单说明:当电枢有电流通入，电动机开始运行。此时磁场中转动的线圈内就会产生感应电动势 E。图 2-1-1 直流电机工作图根据右手定则,E 和 I 相反 ,方程为:：与电机结构有关的常数nKEE：磁通n：电动机转速电磁转矩: 与线圈结构有关的常数aTIKT: 线圈所处位置的磁通：电枢绕组中的电流aI直流电机方程1、U 平衡方程而 E 又与通入的 I 方向相反 ,称之为反电势。U=E+I*R。外加电压 U图 2-1-2 直流电动机由 U 平衡方程:(1)电枢反电势的磁通和大小、转速成正比，E 变化， 或 n 必须要变化。(2)若电阻 Ra 忽略不计，则可知，外加电压一定时，磁通和电机转速成反比。 2、转矩平衡方程T 是驱动转矩,在电机工作时,必须要让空载损耗和外加负载的阻转矩达到平衡,即OLT：负载转矩 ：空载转矩O转矩平衡：当 TL 发生变化时,点击电动势、转速、电枢电流也会发生变化,此时电磁转矩通过自动调整,以达到新的平衡。功率平衡方程式电磁功率 eMaapFmcPTnIpNIE2026功率平衡方程： PpmecCu2212.2 转向轴的设计计算EPS 减速机构与电动机互相作用，有降速增扭意义。常用的蜗轮蜗杆（图3 -6a），滚珠丝杆螺母机构（图 3-6 b），行星齿轮机构 17 。有的 EPS 装有离合器，以确保 EPS 作用仅在运行在预定的速度区间内。在速度提升到一定程度时，离合器会自动分离，与此同时电动机不会在继续运行，与此同时转向系统由机器转向变为手动转向。并且，电动机因故障不在工作时，离合器也会立即自动分离。减速渠道有普通齿轮减速机、球螺旋减速机构、蜗轮蜗杆减速机、双排行星齿轮减速器等。有的电动助力转向系统运用的是蜗轮蜗杆组合形式，其转向轴计算是通过在设计结构初期进行初步计算的，其标准要满足转向轴的刚、强度要求，我们还需要检查轴的振动恒定性。对转向器而言，轴承受的作用是来自方向盘和电动机的轴，因此我们只需要检查轴就可以。(l) 轴的强度计算校核：应基于轴特定的载荷和应力，运用适当的方式，选择合适的许用应力。主要的轴承扭矩轴，要按照扭转程度计算；在只受到弯矩的轴中，我们要根据弯曲度计算；在需要承受弯矩及扭矩的轴中，我们需要在弯曲强度和扭转强度相结合的情况下计算，还需要依据疲劳强度进行审查。另外，对于大型或瞬时过载循环严重不对称的轴，需要在高峰负荷检查其静强度，从而避免过度的塑性变形。转向机构是电动助力转向主要轴向旋转，只能按扭转强度条件计算。 5图 2-2-1 蜗轮蜗杆机构图 2-2-2 滚珠螺杆螺母机构(2)用扭转强度条件来算出转向轴的结构设计时,我们当前使用这种方法进行初始计算轴径。一些相对而言不重要的轴,也可以作为最后的初始计算结果。下为计算公式 TTdnpW32.095由上式可以得到: 33332.0952.095npAnpTT选用 45#钢,通过查表得 A=115,对于空心轴,有: 34)1(npAd式中 内径 d1 和外径 d2, 一般为 0.50.6。21d在这里我们需要知道,这个所求的直径,只是扭矩作用轴端的最小直径dmindmin,当截面有键槽时键槽又影响了轴的强度应增大轴径。图 2-2-3 转向杆和蜗杆轴示意图此次设计里,有 3 处要进行仔细计算审核。如图 5,在图里的 1 和 2 中。1 处是最小的直径蠕,2 为空心轴,3 为蜗杆轴。之于本次设计要求及电动机的选择可知:设计手动转向力矩兀小于 10Nm,电动机转矩 T:为 1.76Nm,材料为 45 号钢(A 取 110,),电动机转速从为 1210r/min,按照转向轴最大的转速 n2 为 36r/min,取 0.7,因此由以上数据得出:理论上的电动机转轴的直径为 d1=5.26mm理论上的转向轴的最小直径为 d2=11.20mm理论上的转向轴的空心直径为 d3=16.24mm在实际设计中,通过整合,得:实际上的电动机转轴的直径为 d1=6.00mm实际上的转向轴的最小直径为 d2=12.80mm实际上的转向轴的空心直径为 d3=20.00mm因此本次设计中的尺寸可以达到设计的要求。3 电动助力转向系统减速机构的优化减速机构是 EPS 系统中的关键环节，在进行设计的时候，我们除了要满足自身的强度条件外，更要满足 ESP 在汽车上的布置要求及其安装要求，因此需要其具有尺寸小、结构紧凑的特点。所以，我们需要对之前的减速机构进行改良，从而达到整体系设计目的。3.1 设计变量i=1,5TiXY)(式中 X(i)为蜗轮蜗杆的模数、蜗杆的直径系数、蜗轮的宽度、蜗杆的宽度和蜗轮的齿数。3.2 目标函数我们还要根据蜗杆自身饿的体积来判定目标函数。将涡轮蜗杆体积看作是圆柱体积（近似值），然后再于我们的目标值进行对比，这种方式不会影响我们的改良结果。因此目标函数为 42513211 12212*21 )*()*(45.3. )()(min xxxbzmBqbDhaVYFa式中 Xlm 为蜗杆涡轮模数；X2q 为蜗杆直径系数；X3B 为蜗轮宽；X4b 为蜗杆宽；X5Z2 蜗轮的齿数；ha*齿顶高系数, 这里取为 1.0。3.3 约束因素(1)传动比的约束 ,即 5.31)(i.2Z (2)设计蜗轮齿宽约束条件，即l 2)z(75.01dmBD(3)设计蜗杆齿宽约束条件,即 Zb)6.1(2(4)弯曲疲劳强度的约束，即 5687.4093.1232qZmYdKTFFFaF3.4 优化程序的运行流程图和结果图 3-4-1 程序流程图我们使用复合法对蜗轮蜗杆进行改良。在该改良运行中没有把装配条件的约束作为约束条件，是由于要根据改良的齿数进行合理的零整，从而满足我们的装配需求。至此我们得到的结果如下表所示:表 3-4-1 优化前后蜗轮蜗杆参数4 EPS 的关键部件和控制策略4.1 EPS 的关键部件选型4.1.1 电动机我们根据电子控制单元传出的信号，使用永磁无刷直流电动机（9 ，其有效率高，没有励磁损失，V 比较小的特征。电动机作为电动助力转向系统的重要一环，可以很大程度得影响电动助力转向系统的工作。又有控制系统要在不同工况下产生不一样的转矩，因此其有较好动态功能和比较容易于操纵控制的优势，这些就要要求电动机具有机械特性和可控的线性特性。另外，电机还要满足低速大扭矩，波动小，转动惯量小，体积小，重量轻，可靠性高的，抗干扰能力强的需求。 7因此我们用永磁直流电机主要参数如下表:表 4-1-1-1 EPS 电动机基本参数4.1.2 电磁离合器电磁离合器是保证在预定的范围内发挥作用。当车辆速度超过对大限度或转向系统出现问题不能工作时，离合器就会立即切断电源，转为手动转向操纵。另外，当没有助力的情形时，离合器依旧可以降低转向电动机的惯性力影响。为了减少这种司机开车时的驾驶感觉差异，因此需要离合器要具有后滞输出的性能，但是也要具有半离合状态区。因此我们使用干式电磁离合器，主要参数见表 3。表 4-1-2-1 干式离合器4.1.3 减速机构减速机具有增大转向器的转矩的作用。一般情况下具有两种类型:双行星齿轮减速、蜗轮蜗杆减速。由于对系统性能的影响较大，由此可知对转向操作降低噪音的对称性，提高效率等提出了更高的要求。4.1.4 扭矩传感器这种传感器可以检测出转向盘、方向盘转矩的方向和大小，这是电动助力转向系统的一个控制信号。准确，可靠以及扭矩传感器的低成本特性是决定电动助力转向系统能否占领市场的关键性质。通常都只有两种形式扭矩传感器（接触与非接触）。接触式传感器有三种形式：摆臂、双行星齿轮、扭杆，而非接触式有光电、磁电两类。接触式传感器的成本略低，但具有受温度影响较大的劣势，会使其使用时间减短。因此我们需要对工艺精确程度和合适的的扭转刚度进行折中，绝对角度和角速度的测量是很难得以实现的。后者具有 V 小，质量轻，工艺精度高，不容易受到影响的特性，但是就是这种传感器的制造成本太高。因此我们选择的传感器需要根据电动助力转向系统的要求进行挑选。 1图 4-1-4-1 非接触式扭矩传感器图示是典型的非接触式扭矩传感器。输入与输出相连接，在输出轴上有键槽，输入轴上有花键。当扭杆受力发生扭转时，键槽与花键会发生相应的位置变化。相对位移改变量等于扭转干的扭转量，使得输入轴的花键的磁感应强度发生变化，磁感度的变化又由转动线圈变为 I 信号。高频部分的信号经过滤波后，只有将部分扭转信号进行放大。这种非接触式已经被广泛使用，是当代汽车发展的主要产品。在这里使用的是国外产出的2000 系列的非接触式传感器。4.1.5 电流传感器我们选择闭环霍尔传感器，它有成本相对较低、电路形式简单，精度和线性度较好，温度漂移较小，响应时间较快等优势。表 4-1-5-1 电流传感器主要参数4.2 电动助力转向系统的电流控制这种控制器是用来判定电动机的电流。又根据系统不同特征，控制方式又分为回正、助力和阻尼控制。电动助力转向系统控制器由转向盘转矩传感器的输出量和车速传感器的输出量确定电动机的目标电流，然后通过上述控制方式来控制电动机电流，从而达到电动机输出助力力矩的目的。因此，控制电动助力转向系统需要我们去解决两类问题：（1）判定其助力特性；（2）追踪助力特性。一个控制器可以分上、下层，上层是根据其助力特性，进行电动机目标电流的决策，下层是经过控制电动机电枢的工作电压，跟踪目标电流。图 4-2-1 EPS 的电流控制4.3 助力控制助力控制是经过减速机构把电动机的转矩作用到机械转向系的一中基础的控制方式。步骤如下第一步：车速传感器测得的信号进行输入; 第二步：由转向盘转矩传感器测得的力矩的大小和方向信号进行输入;第三步：再根据车速和转矩运用助力特性得到目标电流;第四步：电流控制器控制电机的输出转矩。在控制过程中，一般由功率曲线断定目标体系，从而进一步的确定了电动助力转向系统的性能。4.4 阻尼控制阻尼控制是在运行的稳定性和快速的转向收敛性前提下提出的。汽车在快速行驶中如果设计的转向太敏感，就会威胁驾驶的安全性。因此为了汽车能在高速行驶时依然具有相当程度的稳定度，就需要在死区范围内进行阻尼控制，通过适当增大转向盘的转力，最后反映到以极高的速度行驶时稳定性。当汽车在快速运行时，路面的侧向力引起的加速度会引起较大的干扰作用，导致传到方向盘的力矩增大，为了避免这种摆幅，也必须要使用阻尼控制加以防止从而使行车更具安全性。 104.5 回正控制当车辆在行驶中行驶到一定的速度时，转向轮主销后倾角、主销内倾角的作用，使其拥有自动回正转向盘的作用。随着现在汽车行驶车速的提升，从而影响了回正力矩，轮胎与地面的摩擦系数降低，使综合性能的改进。司机松开方向盘，以减少方向盘上的力的作用方向盘，在返回的时刻。转向盘回正过程中，有两种情况需要我们考虑：（1）力矩大方向盘超调；（2）力矩小转向盘回不到中间位置。在第一种情况下，可以用阻尼控制防止超调。后者是需要助力补偿，使其有足够力矩进行回正工作。结论电动助力转向系统(EPS)作为一项现代汽车高端技术产品，所涉及的技术领域包括汽车工程、电力驱动、控制器、传感器、现代控制理论等等诸多方面，需要解决的关键问题也很多，所以对于这项产品的研究与开发不可能一瞅而就。本设计针对 EPS 的核心部位，主要开展了以下两个方面的研究:对机械转向系统进行总体方案的选择与设计。本次设计以某一微型轿车为参考，采用齿轮齿条式转向器，对转向器中的关键元件齿轮和齿条进行了结构的设计及强度校核，对转向横拉杆进行了运动分析、从而确定了齿条行程，对自动间隙调整弹簧进行了选取，还对齿轮轴轴承进行选取、并进行了寿命验算，并对键的强度进行了校核。对 EPS 中的助力控制部分进行了研究与优化设计。其中主要是对其关键元件的功能要求进行了分析，并且对 EPS 的电流控制及上层控制策略 (助力控制、回正控制及阻尼控制)进行了逐一论述，最后进行了电机控制电路以及驱动电路的设计。参考文献1贺桂芳等编著.汽车与工程机械用传感器M. 人民交通出版社, 20122刘惟信主编.汽车设计M.清华大学出版社, 2011 3李仁定主编.电机的微机控制M.机械工业出版社, 2010 4邓楚南等主编.轿车构造M.人民交通出版社,20105吴基安编著.汽车电子技术M.人民邮电出版社, 2010 6边焕鹤主编.汽车电器与电子设备M.人民交通出版社, 2011 7胡汉才编著.单片机原理及其接口技术M.清华大学出版社, 20118龚微寒主编.汽车现代设计制造M.人民交通出版社, 2012 9郁强,张金华.电动转向系统开发与研究J.轻型汽车技术，2012 10叶耿,杨家军,刘照,肖大友.汽车电动式动力转向系统转向路感研究J.华中科技大学学报(自然科学版)，2012 11宗长富,郭孔辉.汽车操纵稳定性的研究与评价J.汽车技术,2010 12龚培康,万沛霖. 汽车电子转向系统J. 重庆工业管理学院学报 ,2013 Mechanism design of automobile electric power steeringAbstract：Electric power steering (Electric Power Steering, referred to as EPS) is a new type of power system, the hydraulic power steering system after the emergence of the steering system, hydraulic power steering system has incomparable advantage, it not only can save energy, improve safety, but also conducive to en